Úsporné vzdúvadlo

Foto Pixabay

Rieky od úplného začiatku civilizácií plnia nenahraditeľnú funkciu prirodzených ciest na presun ľudí, tovaru a materiálu. Rieky a umelé vodné kanály v histórii zohrali a v geografii ešte vždy hrajú kľúčovú úlohu. V tomto článku sa však pozrieme na rieky ako cesty z inej stránky – fyzikálnej.

V porovnaní s asfaltovými cestami a železnicami majú prirodzené aj umelé vodné toky jednu obrovskú nevýhodu. Len ťažko prekonávajú aj tie najmenšie výškové rozdiely. Hladina vody chce byť vodorovná a pri akomkoľvek významnejšom výškovom rozdiele voda tečie príliš rýchlo na to, aby sa vodný tok dal systematicky a univerzálne použiť. Napríklad Váh na svojom ako-tak splavnom úseku dlhom 75 kilometrov medzi Sereďou a Komárnom prekoná výškový rozdiel asi 20 metrov, Dunaj na 110 kilometroch medzi gabčíkovskou priehradou a miestom, kde opúšťa Slovensko, klesne len o pár metrov.

Prekonávanie rozdielov

Plavba lode vzdúvadlom ako ju opisuje text, zľava doprava a zhora nadol. V prípade pohybu opačným smerom by šípka smerovala z vodnej plochy naľavo do komory, všetko ostatné by prebiehalo rovnako, len opačným smerom.

Ako teda lode s nákladom a ľudia prekonávajú rozdiely vo výške vodnej hladiny či už v umelých kanáloch, v priehradách na prirodzených tokoch alebo na rôznych prekážkach na inak splavných úsekoch riek? Odpoveď možno poznáte. Ide o jeden z najelegantnejších, ale súčasne najkomplikovanejších inžinierskych výtvorov – vzdúvadlo.
Vzdúvadlo je vlastne jedna veľká komora na vodnom toku, ktorá sa dá z oboch strán nezávisle zavrieť. Na stranách komory za zavretými vrátami vzdúvadla je vodná hladina toku rôzna. Ak do vzdúvadla prichádza loď z vyššej časti toku, vráta na tejto strane sú otvorené, komora je napustená a vráta na nižšej časti toku zatvorené. Loď vpláva do komory a otvorené vráta sa za ňou zavrú. Voda v komore sa potom postupne vypustí do nižšej časti toku, až kým sa hladina v komore nevyrovná s nižšou časťou a druhé vráta sa môžu bezpečne otvoriť. Plávajúca loď kontrolovane klesla na požadovanú výšku a môže pokračovať ďalej. Ak sa chce loď presunúť v opačnom smere, proces vyzerá veľmi podobne s jedným rozdielom – namiesto vypúšťania sa komora napustí vodou z vyššej časti.

Pri vypustení časti vody do postranného rezervoára sa pri opätovnom napustení komory vzdúvadla dá znovu použiť časť vody.

Overené riešenie

Prvé zdokumentované vzdúvadlá boli skonštruované už na konci prvého tisícročia nášho letopočtu v Číne. Ich elegantnosť a praktickosť spočíva v tom, že na svoje základné fungovanie využívajú iba prirodzený tok vody a na dvíhanie lodí nie je potrebný nijaký iný vonkajší zdroj energie. Moderné vzdúvadlá sú obrovské, komplikované zariadenia, no ich princíp zostáva už viac ako tisíc rokov naďalej rovnaký.
Ak je zdroj vody vo vyššej časti toku neobmedzený, vzdúvadlo môže bez problémov fungovať donekonečna. Problém však môže nastať, keď treba vodu šetriť. Pri každom vypustení komory sa totiž stratí objem vody, ktorý môže chýbať. Napríklad ak je horným tokom jazero, ktorého hladina môže v dôsledku sucha výrazne kolísať. Alebo ak je zdrojom pitnej vody, ako v prípade Panamského prieplavu s veľmi rušnou premávkou.

Postranný rezervoár

Viac postranných rezervoárov dokáže ušetriť viac vody.

V takom prípade sa dá vymyslieť užitočný trik a časť vody si odložiť. Pre názornosť povedzme, že máme k dispozícii jeden vedľajší rezervoár s rovnakou podstavou ako komora vzdúvadla. Ak si nad tým trochu polámete hlavu, nie je ťažké si rozmyslieť, že najlepší je rezervoár s tretinovou výškou komory na ilustrácii. Pri vypúšťaní vody môžeme prvú tretinu komory vypustiť do neho a až potom vypustiť zvyšné dve tretiny vody na prázdno. Keď budeme komoru napĺňať, jej prvú tretinu napustíme z ušetrenej vody v rezervoári a až potom začneme napúšťať vodu z vyššieho toku vzdúvadla. V jednom cykle sme tak ušetrili tretinu vody. Väčší počet rezervoárov dokáže ušetriť ešte viac vody.
Ak vás tento článok bavil až doteraz, určite vás bude zaujímať, koľko vody sa dá ušetriť pri všeobecnom počte rezervoárov s tvarom iným ako plavebná komora, a kedy je tento počet optimálny. Skúste si to rozmyslieť a potom si overte správnu odpoveď na internete.

Text a ilustrácie Juraj Tekel
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 10/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre